声频定向系统设计

论文摘要

声频定向系统是一种新概念扬声器,能够将可听声投射到某一指定区域内。它以声学参量阵理论为基础,将声频信号调制到超声载波上,通过超声换能器发射到空气中,因为受到空气介质的非线性作用,在传播过程中,最初的声频信号将不断进行自解调,从而被人耳接收到。本文探索了声频定向系统的基本原理和系统实现关键技术,研制了声频定向系统原理样机并且进行相关实验测试。主要研究内容包括:1.在论述声频定向系统基本工作原理的基础上,分析非线性声学的相关公式和理论,详细阐述Westervelt方程和“Berktay远场解”两个声学参量阵重要理论,进而求解KZK方程,并就相关结论进行说明。2.以“Berktay远场解”为自解调理论模型,推导主要信号处理方法的自解调信号声压表达式,以及相应的信号失真公式。针对单频信号输入和双频信号输入两种情况,用Matlab软件对主要信号处理方法进行仿真,根据仿真结果分析影响信号失真的主要因素,得出相应信号处理方法的特点。3.从活塞式换能器声场理论出发,结合超声波衰减理论和声学参量阵理论,建立声频定向系统声场分布数学模型,用Matlab软件对系统声场进行可视化仿真,根据仿真结果探究相关参数对系统声场分布的影响规律。此外,对均匀矩形阵列的声场进行仿真分析,为换能器阵列设计提供理论指导。4.设计相应硬件电路和软件程序,分别用模拟电路和数字电路实现信号处理系统;根据仿真分析的结论,设计超声换能器方形阵列。集成各功能单元,完成声频定向系统原理样机的制作。最终,对原理样机进行实验测试,完成自解调信号的采集与数据处理,分析实验结果表明:原理样机定向传声效果较好,声场指向性和信号谐波失真等指标满足设计要求,验证了本文设计方案的有效性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景与意义
• 1.2 国内外研究历史与现状
• 1.3 论文研究内容与结构安排
• 1.3.1 论文研究内容
• 1.3.2 论文结构安排
• 第二章 声频定向基本理论
• 2.1 非线性声学基本理论
• 2.1.1 运动方程
• 2.1.2 连续性方程
• 2.1.3 物态方程
• 2.1.4 有限振幅波非线性畸变理论
• 2.2 声学参量阵基本理论
• 2.2.1 Westervelt 方程
• 2.2.2 Berktay 远场解
• 2.3 KZK 方程
• 2.4 本章小结
• 第三章 声频定向系统信号处理方法分析
• 3.1 DSB 信号处理方法
• 3.1.1 输入单频信号分析
• 3.1.2 输入双频信号分析
• 3.2 SSB 信号处理方法
• 3.2.1 输入单频信号分析
• 3.2.2 输入双频信号分析
• 3.3 SRAM 信号处理方法
• 3.3.1 输入单频信号分析
• 3.3.2 输入双频信号分析
• 3.4 双积分开平方信号处理方法
• 3.5 本章小结
• 第四章 声频定向系统声场分布研究
• 4.1 活塞式换能器声场分布
• 4.1.1 活塞式换能器指向性分析
• 4.1.2 活塞式换能器轴线声压分布
• 4.2 声波衰减理论
• 4.3 声学参量阵指向性分析
• 4.4 系统声场综合仿真分析
• 4.5 换能器阵列基本理论
• 4.5.1 换能器均匀线列阵性能参数
• 4.5.2 均匀矩形阵列指向性仿真
• 4.6 本章小结
• 第五章 声频定向系统原理样机设计
• 5.1 信号处理系统的模拟电路实现
• 5.1.1 载波信号发生电路
• 5.1.2 信号调制电路
• 5.1.3 信号预处理电路
• 5.1.4 电路板设计与制作
• 5.2 信号处理系统的数字电路实现
• 5.2.1 数字信号处理平台概述
• 5.2.2 数字信号处理软件设计
• 5.3 实验系统超声换能器
• 5.3.1 换能器理论概述
• 5.3.2 超声换能器阵列设计
• 5.4 本章小结
• 第六章 实验测试与结果分析
• 6.1 声频定向系统实验方案设计
• 6.1.1 实验系统组成
• 6.1.2 系统实验基本原理
• 6.2 实验结果与数据分析
• 6.2.1 系统声场指向性分析
• 6.2.2 自解调信号失真分析
• 6.2.3 系统轴向声场分布
• 6.3 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 工作总结
• 7.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果
• 附录A 模拟信号处理系统芯片管脚图
• 附录B 数字信号处理主要初始化程序